基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法

摘要

基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，涉及电力系统领域。解决了现有的H桥级联STATCOM直流侧电容电压平衡控制方法的控制过程复杂、抗干扰性差、控制精度低和功率单元损耗大，导致系统寿命短的问题。本发明首先，根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容充放电的情况；其次，根据各个功率单元中电容的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容的电压趋于一致；最后，利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制。本发明具体应用在H桥级联STATCOM系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统领域。

背景技术

电力系统当中越来越多的使用柔性交流输电系统（FACTS）对电能进行传输，它能够 提高电力系统利用和传输电能的能力，同时使系统稳定、安全、可靠地运行。作为核心装 置与核心技术之一的静止同步补偿器（STATCOM），以其损耗低、响应快、储能元件体积小 和输出电流谐波含量低等优点，成为动态无功补偿装置发展的重要方向。在几种比较成熟 的拓扑结构中，H桥级联拓扑结构的STATCOM因其模块化结构、无需功率器件串联即可输出 足够高的电压和输出多电平电压的特点，使其在高压大功率场合得到日益广泛的应用。图 1为H桥级联STATCOM的主电路框图，其中，L表示电抗器，R表示电阻，i_a表示STATCOM a 相输出电流，i_b表示STATCOM b相输出电流，i_c表示STATCOM c相输出电流，U_dc表示电容 电压，u_a表示STATCOM a相输出电压，u_b表示STATCOM b相输出电压，u_c表示STATCOM c 相输出电压，i_sa表示a相电网电流，i_sb表示b相电网电流，i_sc表示c相电网电流，i_la表示 a相负载电流，i_lb表示b相负载电流，i_lc表示c相负载电流，N表示中性点。然而，这种级联 型结构的STATCOM的各个H桥单元直流母线彼此独立，每个单元的并联损耗、开关损耗、 驱动脉冲延时等又存在差异，会导致STATCOM直流侧电容电压出现不平衡的问题，进而导 致各功率器件承受不同的电压，使装置输出电压的总畸变率（THD）增加。因此，对H桥级 联STATCOM直流侧电容电压采取均衡措施是十分必要的。

从目前的发展技术来看，H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法主要有 以下几种：（1）对各单元的参考电压进行PI调节，从有功调节的角度来达到单元电压的 均衡。这种方法易于理解，但在实现过程中对于级联单元数目庞大的装置，需要使用大量 的PI控制器，涉及到调节参数整定及延时问题，因此其可行性还存在疑问。（2）通过外 加电路对各单元的直流侧电容进行有功交换，让能量通过直流或交流母线在各单元之间流 动，但是这种方法附加的装置数量较多，提高了系统的体积和成本以及控制复杂度，使装 置可靠性降低，也有违级联结构设计的初衷。（3）在独立电容两端并联可调电阻，从调节 并联损耗的角度实现直流电压平衡控制，这种方法简单，而且很早就在工业应用中发挥作 用，但由于额外增加了装置的损耗，应当避免用于大功率的场合。（4）通过调节各单元的 移相角，从消除脉冲延迟所产生的相位差的角度来实现直流电压的平衡控制，但对于高压 大容量的变流器，移相角的可调范围很小，少量的偏差都可能引起系统不稳定。（5）调整 脉冲序列的方法，从能量的角度实现电容电压平衡。该方法首先对各功率单元按照电容上 直流电压大小进行排序，然后根据当前功率流动方向，选择电容电压值最大或者最小的功 率单元进行电平变换。这种方法平衡效果好，而且能够适用于各种调制算法，缺点则在 于由于功率单元本身损耗特性不同，每个功率单元的开关频率也不同，容易出现某些功率 单元柜过于频繁动作的情况，对装置整体的使用寿命有影响。

现有的H桥级联STATCOM的控制系统通常采用DSP和FPGA双控制器进行控制，DSP 主要完成谐波和无功电流检测，参考指令电压的计算，并将参考指令电压送给FPGA等工 作；FPGA在接收到DSP参考指令电压后，生成36路PWM调制波对三相的36个功率单元 进行控制。

而现有的直流侧电容电压平衡控制方法大多数也在DSP中实现，这样就增加了DSP 的运算量，降低了系统的运算速度。但将现有的控制算法移植到FPGA的过程非常复杂， 也会大大的消耗FPGA的资源。

发明内容

本发明是为了解决现有的H桥级联STATCOM直流侧电容电压平衡控制方法的控制过程 复杂、抗干扰性差、控制精度低和功率单元损耗大，导致系统寿命短的问题，本发明提供 了一种基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法。

基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，该方法是基 于多个功率单元实现，所述的功率单元包括电容、1号功率开关、2号功率开关、3号功 率开关、4号功率开关、1号二极管、2号二极管、3号二极管和4号二极管；

所述的电容的一端同时与1号功率开关的功率输入端、1号二极管的阴极、3号功率 开关的功率输入端和3号二极管的阴极同时连接，

所述的电容的另一端同时与2号功率开关的功率输出端、2号二极管的阳极、4号功 率开关的功率输出端和4号二极管的阳极同时连接，

所述的1号二极管的阳极作为功率单元交流侧的一个连接端与1号功率开关的功率输 出端、2号功率开关的功率输入端和2号二极管的阴极同时连接，

所述的4号二极管的阴极作为功率单元交流侧的另一个连接端与3号功率开关的功率 输出端、4号功率开关的功率输出端和3号二极管的阳极同时连接；

该方法包括如下过程，

步骤一、根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容充放 电的情况；

步骤二、根据各个功率单元中电容的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各 个功率单元中电容的端电压趋于一致；

步骤三、利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM 直流侧电容电压的相内平衡控制。

采用本发明所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制 方法对实际的H桥级联STATCOM的直流侧电容电压相内平衡效果进行实验验证。搭建了最 高电压等级10kV，额定无功容量为±2Mvar的H桥级联STATCOM实验装置。实验参数为： 每相N=12个H桥单元，网侧电压u_s=10kV，电网频率f₀=50Hz，系统采样频率f₁=30kHz， 开关频率f₂=1kHz，功率单元直流侧电容C=5600μF，功率单元直流侧电压参考值 U_dc=800V，连接电抗器L=10mH。图7给出了利用CCS软件记录数据，并通过Matlab绘制 出的本发明控制下的a相12个级联功率单元的直流侧电压波形图，其中，纵坐标表示功 率单元a1到a12的直流侧电压值，横坐标表示时间。从图中可以看出，所有功率单元的 电容电压都很好地平衡在800V，且计算得到纹波含量只有2.26%。实验结果证明了本发明 配合载波相移调制策略，能够取得令人满意的平衡控制效果。

本发明所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法 的控制过程简单，控制精度高、抗干扰性强、且功率单元损耗小，增大了系统的使用寿命， 控制精度提高了20%以上，抗干扰性同比增大了5%以上；现有的直流侧电容电压平衡控制 方法大多数在DSP中实现，增加了DSP的运算量，降低了系统的运算速度。而本发明可以 把直流侧电容电压平衡控制移植到FPGA中实现，这样提高了DSP的运算速度，也充分利 用的FPGA的资源。

附图说明

图1为背景技术中H桥级联STATCOM的主电路结构示意图；

图2为具体实施方式一中功率单元的结构示意图；

图3为具体实施方式一所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相 内平衡控制方法的流程图；

图4为具体实施方式二中功率单元中的电容处于充电时的电流流向示意图；其中带有 箭头的虚线表示电流的走向；

图5为具体实施方式二中功率单元中的电容处于放电时的电流流向示意图；其中带有 箭头的虚线表示电流的走向；

图6为具体实施方式四中，调制波平移图；曲线M表示移动后的正半轴调制波，曲线 N表示移动后的负半轴调制波；曲线P表示载波；曲线Q表示调制波平移后的功率单元导 通的占空比；

图7为H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制的实验结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图2和3说明本实施方式，本实施方式所述的基于调制波平移 的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，该方法是基于多个功率单元实现， 所述的功率单元包括电容C、1号功率开关S1、2号功率开关S2、3号功率开关S3、4号 功率开关S4、1号二极管D1、2号二极管D2、3号二极管D3和4号二极管D4；

所述的电容C的一端同时与1号功率开关S1的功率输入端、1号二极管D1的阴极、 3号功率开关S3的功率输入端和3号二极管D3的阴极同时连接，

所述的电容C的另一端同时与2号功率开关S2的功率输出端、2号二极管D2的阳极、 4号功率开关S4的功率输出端和4号二极管D4的阳极同时连接，

所述的1号二极管D1的阳极作为功率单元交流侧的一个连接端与1号功率开关S1 的功率输出端、2号功率开关S2的功率输入端和2号二极管D2的阴极同时连接，

所述的4号二极管D4的阴极作为功率单元交流侧的另一个连接端与3号功率开关S3 的功率输出端、4号功率开关S4的功率输出端和3号二极管D3的阳极同时连接；

该方法包括如下过程，

步骤一、根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容C 充放电的情况；

步骤二、根据各个功率单元中电容C的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使 各个功率单元中电容C的端电压趋于一致；

步骤三、利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM 直流侧电容电压的相内平衡控制。

具体实施方式二：参见图2、3、4和5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式 一所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的区别在 于，步骤一中，根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容C 充放电的情况的具体过程为，

在某一时刻，电流方向从电网流向变流器，

当功率单元的输出电压为正时，1号功率开关S1和4号功率开关S4导通，则电容C处于 充电状态；

当功率单元的输出电压为负时，2号功率开关S2和3号功率开关S3导通，则电容C处于 放电状态，

在某一时刻，电流方向从变流器流向电网，

当功率单元的输出电压为正时，1号功率开关S1和4号功率开关S4导通，则电容C处于 放电状态；

当功率单元的输出电压为负时，2号功率开关S2和3号功率开关S3导通，则电容C处于 充电状态。

具体实施方式三：参见图2、3、4和5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式 二所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的区别在 于，所述的步骤二中，根据各个功率单元中电容C的端电压相对大小，给出占空比的调 整方向，使各个功率单元中电容C的端电压趋于一致的具体过程为，

当(i_a×v_ani)>0时，如果V_{dc_a_i}<V_{dc_a}，则增大第i个功率单元导通的占空比，即对于正 在充电过程中的功率单元，当V_{dc_a_i}小于V_{dc_a}时，应当延长该功率单元的导通时间；

当(i_a×v_ani)>0时，如果V_{dc_a_i}>V_{dc_a}，则减小第i个功率单元导通的占空比，即对于正 在充电过程中的功率单元，当V_{dc_a_i}大于V_{dc_a}时，应当减少该功率单元的导通时间；

当(i_a×v_ani)<0时，如果V_{dc_a_i}>V_{dc_a}，则增大第i个功率单元导通的占空比，即对于正 在放电过程中的功率单元，当V_{dc_a_i}大于V_{dc_a}时，应当延长该功率单元的导通时间；

当(i_a×v_ani)<0时，如果V_{dc_a_i}<V_{dc_a}，则减小第i个功率单元导通的占空比，即对于正 在放电过程中的功率单元，当V_{dc_a_i}小于V_{dc_a}时，应当减少该功率单元的导通时间；

i_a是H桥级联STATCOM的a相输出电流，v_ani是H桥级联STATCOM的a相第i个功率单元的交 流侧输出电压，其中，i=1,2，…N，N为正整数，V_{dc_a_i}是H桥级联STATCOM的a相第i个功 率单元的直流侧电容的端电压，V_{dc_a}是H桥级联STATCOM的a相直流侧电容的平均电压。

具体实施方式四：参见图2、3、4、5和6说明本实施方式，本实施方式与具体实施 方式二所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的区 别在于，所述的步骤三中，利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H 桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制的具体过程为，

当调整指令为减小功率单元导通的占空比时，则下移正半轴调制波，使 u_i=u_i0-k*e_{vdc_i}，上移负半轴调制波，使u_i=u_i0+k*e_{vdc_i}；

其中，u_i为平移后功率单元的调制波，u_i0为平移前功率单元的调制波，e_{vdc_i}为功率 单元直流侧电容电压误差，且e_{vdc_i}=V_{dc_i}-V_{dc_mean}，V_{dc_i}为功率单元直流侧电容电压，V_{dc_mean}为功率单元直流侧电容电压平均值，k为调节系数；

当调整指令为增大功率单元导通的占空比时，则上移正半轴调制波，使 u_i=u_i0+k*e_{vdc_i}，下移负半轴调制波，u_i=u_i0-k*e_{vdc_i}。

本实施方式中，假设当前需要减小功率单元导通的占空比，即减少单元充放电时间， 以调制波大于零的前半周期来分析，具体参见图6，该功率单元应输出1和0电平，在0 电平时该功率单元电容并没有接入主电路，既不充电也不放电。如果要减小功率单元充电 时间，则需要减小1电平作用时间，那么可以减少1号功率开关S1和4号功率开关S4 的导通时间；又因为1号功率开关S1和2号功率开关S2此时是由正相调制波（大于零） 和正的三角载波比较决定，而3号功率开关S3和4号功率开关S4由反相调制波和负的三 角载波比较决定，因此只要以0轴为界，如式u_i=u_i0-k*e_{vdc_i}所示；下移正半轴的调制 波，并如式u_i=u_i0+k*e_{vdc_i}所示，上移负半轴的调制波，就可达到减小功率单元占空比 的效果。